自适应结构减振技术

　　1 引 言

　　自适应结构的引入和产生是客观的需求。要求结构能自适应各种环境条件,以满足高性能要求。自适应结构中的材料具有力学性能和功能性能双重性,前者是承载能力,后者是传感与驱动能力。自适应结构能直接感受自身由于机械、热学、光学、化学、电学和磁学作用所产生的应变或位移。自适应结构还能根据感受到的外界信号改变结构的力学性能,提高其结构完整性与可靠性。更有效的办法是引入控制器,实施一定的控制策略将感受的应变或位移转换成控制信号输送给驱动器,利用其驱动功能将电输入转换成结构的应变或位移,达到改变结构的力学性能。本文简要介绍采用压电材料的自适应结构,分析研究其减振性能。主要内容包括:自适应结构的综合建模、自适应结构最优控制和自适应减振评估与验证等。

　　2 自适应减振的综合建模技术

　　采用压电材料的自适应结构是进行减振降噪的优选结构,它的正、负压电效应使之具有驱动、传感效能,并具有响应快、频带宽等特性。以减振降噪为目的的自适应结构其控制框图如图1所示。

　　2.1 自适应结构的状态方程

　　压电自适应结构的状态方程为

其中:状态向量{r(t)},状态矩阵[A],驱动输入向量{ U(t)},驱动转换矩阵[B]。状态矩阵是由自适应结构的力学性能,包括:刚度、质量、阻尼等特性所决定。对于复杂的自适应结构采用有限元建模技术。对此,需构造特殊的有限元以适应建模的要求。驱动转换矩阵是由压电材料的驱动功能所决定。

　　压电自适应结构的传感方程为

其中:传感输出向量{y(t)},传感矩阵[C],它是由自适应结构中的压电材料传感功能所决定。

　　2.2 自适应结构的控制方程

　　压电自适应结构的减振控制是采用输出反馈控制,其控制方程为

其中[D]为控制矩阵,它是由所设计的控制律给出。

　　2.3 自适应结构模型的验证

　　本文分别对贴有压电片的金属和复合材料构成的自适应壁板进行了建模,见图2和图3。有限元建模是进行自适应减振设计的基础,所建立的有限元模型的正确性是保证减振效应的精确度。自适应结构的有限元模型的验证技术是重要的一环。

　　自适应结构的模型验证技术主要是对其开环系统和闭环系统的频响特性的验证。通过有限元分析的方法和频响试验的方法进行一致性验证。开环系统是根据状态方程(1)和输出方程(2)建立驱动输入向量{ U(ω)}与传感输出向量{y(ω)}的频响函数[Ho(ω)]。闭环系统则是加入控制方程(3)后的频响函数[HC(ω)]。它们对金属自适应壁板实例分析与试验的结果见图4和5。结果表明:所建立的金属自适应壁板的模型是正确的,但其精确度有待进一步提高。它涉及压电片的性能参数及其所设计的各种线路的参数的精度。特别是对于复杂的自适应结构,模型的精化技术有着工程实用价值,还须大力进行研究,以提高其建模的能力。